GIAO TRINH MOHINHTHVAN

MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN I TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY NĂM Dòng chảy năm đặc trưng dòng chảy sinh năm (lưu lượng, module dòng chảy, độ sâu dòng chảy…) Tính toán chuẩn dòng chảy năm Chuẩn dòng chảy năm (ký hiệu Q0) giá trò lưu lượng trung bình (trong nhiều năm tiến tới ổn đònh) Đây đặc trưng quan trọng nguồn nước lưu vực sông hay vùng Tính toán theo phương pháp thống kê (cho chuỗi số liệu tương đối dài (n>30 năm), sai số σ’σ< 6-15%; σ’Cv< 10-20%): n Q0 = ∑Q i =1 i n Ghi chú: Số năm quan trắc n phải bao gồm thời kỳ nhiều nước, nước trung bình Tính toán chuỗi số liệu tương đối ngắn: Chọn lưu vực tương tự (nơi có nhiều số liệu quan trắc) để suy số liệu lưu vực nghiên cứu bằng: a) Phương pháp phân tích tương quan (có thể lập tương quan dòng chảy với dòng chảy theo năm, mùa, tháng; tương quan dòng chảy theo lượng mưa năm, mùa, tháng b) Trong trường hợp hệ số Cv hai lưu vực chênh lệch nhiều (khi số năm quan trắc song song hai lưu vực ít); ta thường dùng phương pháp tương quan tần suất Ivanov sau: Giả sử tần suất xuất dòng chảy năm hai lưu vực Dựa sở này, ta có trình tự tính toán sau: Tính Cv; Cs trạm cần nghiên cứu (trạm A) Dựa vào tài liệu trạm tương tự (trạm B) để xác đònh tần suất (tích luỹ) dòng chảy năm trạm (năm mà trạm A có số liệu đo) Mượn tần suất trạm B làm tần suất xuất dòng chảy cho năm tương đương bên trạm A, với hệ số C v, Cs (Cs thường tính theo phương pháp đường thích hợp : Cs=mCv) trạm A số năm có số liệu quan trắc, ta tra hệ số module Kp (ghi chú: Kp=xi/xtb) trạm A, ta tính trò số chuẩn dòng chảy trạm A theo công thức: Qpi Với Q chuẩn dòng chảy (giá trò trung bình 0i Q 0i = K p năm) tính ứng với dòng chảy Qpi trạm A Vì điểm thực đo thường không nằm đường tần suất lý luận, nên trò số Q0i thường không Nên sau ta lại phải lấy trung bình chúng lần nữa: n0 Trong n0 số năm đo đạc đồng Q0 = Q 0i n0 hai trạm A B ∑ Ví dụ: Số liệu dòng chảy trạm B có 30 năm quan trắc, trạm A có năm (đồng với trạm B) Các số liệu quan trắc đồng hai trạm cho sau: Dùng cơng thức kinh nghiệm tính Cv A, chọn Cs/Cv=2 = PQA(%) Tra KpA từ phụ luc 2(K-M) dưa vào Cv,Cs QA Tính toán số liệu: Sử dụng đồ đẳng trò độ sâu dòng chảy (Y oi) module dòng chảy (Moi) Chuẩn lưu vực nội suy tuyến tính dựa sở đường đẳng trò biết Nếu đồ đẳng trò, thường ta chọn lưu vực tương tự vùng mùa mưa, có diện tích ao hồ, rừng xấp xỉ với lưu vực tính toán Từ xem: M0tính toán=KM0tương tự Trong K hệ số hiệu chỉnh có khác (mưa, bốc hơi) hai lưu vực: K=(X0tínhtoán-Z0tínhtoán)/( X0tươngtự-Z0tươngtự) X lượng mưa, Z lượng bốc hơi) II TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY KIỆT 1.Khi có tài liệu quan trắc: Trong thiết kế, người ta thường dùng lưu lượng bình quân ngày, tháng ứng với tần suất thiết kế đònh Dòng chảy kiệt thường tính toán ngoại suy (những lưu lượng nhỏ) Để tính toán xác, ta thường ngoại suy Q kiệt tháng ; sau dùng đường quan hệ Q kiệt ngày theo Qkiệt tháng để xác đònh lưu lượng ngày kiệt thiết kế Ví dụ: Tính lưu lượng ngày kiệt thiết kế 95% trạm thuỷ văn có quan hệ Qkiệt ngày theo Qkiệt tháng bảng sau: Qngàykiệt Qtháng kiệt Qtháng kiệt 52 54 57 62 61 65 69 72 78 80 81 88 90 Qngày kiệt 47 49 52 54 57 60 64 65 68 69 70 79 80 Trong trường hợp chuỗi số liệu quan trắc ngắn (2-3 năm) phải tính cách chọn lưu vực tương tự có chuỗi số liệu quan trắc dài Trình tự tính toán sau: Xét tương tự dòng chảy kiệt hai lưu vực Tính: α = Q A QB Trong A: trạm tương tự; B: trạm nghiên cứu Nếu α ổn đònh năm đo đạc, kết luận hai trạm tương tự d chảy kiệt Lúc ta tính: Tính dòng chảy kiệt thiết kế trạm tương tự Dòng chảy kiệt thiết kế trạm nghiên cứu tính bằng: QBp = αQ Ap α giá trò trung bình hệ số α tính Ví dụ: Tính lưu lượng dòng chảy kiệt trạm A ứng với tần suất thiết kế 95% Biết QB95%= 3.65 m3/s Qua đo đạc năm ta kết sau: Năm 1983: QA=2.15 m3/s; Năm 1984: QA=2.20 m3/s Sau phân tích tương tự, ta chọn B làm trạm tương tự, với: Năm 1983: QB=4.48 m3/s, Năm 1984: QB=4.90 m3/s Tính hệ số α hai năm sau: α1983=2.15/4.48=0.48; α1984=2.2/4.9=0.45; Hệ số α ổn đònh, lấy trung bình ta α =0.465 Từ QB95%= 3.65 m3/s Vậy: QA95%= 0.465*3.65 = 1.7m3/s III TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LŨ Các đặc điểm dòng chảy lũ (thời gian lũ, cường độ lũ lúc lên xuống, module đỉnh lũ ) thường có quan hệ chặt chẽ đến yếu tố khí tượng thuỷ văn đòa lý tự nhiên lưu vực Một trận lũ thể đặc trưng:  Lưu lượng đỉnh lũ Qmax  Tổng lượng lũ W  Đường trình lũ (Q theo t) Khi thiết kế công trình có khả điều tiết lũ Q max đònh kích thướùc công trình tháo lũ Đối với kho nước lớn, yếu tố cần MÔ HÌNH TOÁN – THUỶ VĂN Mô hình Toán – Thuỷ văn Mô hình Chất lượng nước Mô hình Số lượng nước Mô hình Nước ngầm Mô hình Nước mặt Mô hình Thống kê Mô hình Dòng chảy sườn dốc Mô hình Bùn cát Mô hình Tất đònh Mô hình Dòng chảy sông Mô hình Truyền chất Coi trình thuỷ văn kết tất nhiên yếu tố vật lý Còn yếu tố ngẫu nhiên thể qua giao động chúng Mô hình Quy hoạch quản lý lưu vực MÔ HÌNH MƯA – DÒNG CHẢY Trong loại mô hình toán thuỷ văn, mô hình tất đònh : tính dòng chảy từ mưa đời sớm nhất: Ví dụ: Tính dòng chảy từ mưa phương pháp đường đơn vò Sherman đưa (Năm 1932 ) nhiều nước chấp nhận Công thức nguyên dòng chảy dùng phổ biến nhiều nước Từ công nghệ thông tin phát triển, ngành tính toán thuỷ văn cung cấp nhiều máy móc đại Điều tạo điều kiện cho nhiều điều kiện cho mô hình toán đời Hiện có nhiều mô hình tính toán dòng chảy từ mưa sau: Mô hình kiểu bể chứa: mô hình TANK đơn, TANK kép,… Mô hình kiểu phát triển đường đơn vò thành đường lũ đơn vò: HEC-HMS Mô hình kiểu phát triển công thức nguyên dòng chảy- Mô hình quan hệ (Rational model) Các mô hình tính dòng chảy từ mưa thường dùng để khôi phục bổ sung số liệu dòng chảy biết số liệu mưa nhằm phục vụ thiết kế công trình sông , tính toán nguồn nước phục vụ quy hoạch, dự báo dòng chảy… Ưu điểm : Ưu nhược điểm PP CĂN NGUYÊN Tính toán dễ, nhanh  Được sử dụng nhiều trường hợp lưu vực nhỏ, thông tin ( lựa chọn phần mềm thương mại MIKE 11 MOUSE (viện Thuỷ lợi Đan Mạch) Nhược điểm: Không xử dụng cho lưu vực có độ dốc lớn Không mô liên tục không xét đến điều kiện ban đầu lưu vực Các thông số tính: Hệ số triết giảm (hay gọi hệ số dòng chảy, hệ số phụ thuộc vào loại trạng sử dụng đất khác nhau, bề mặt khác nhau,…) Tổn thất ban đầu (thấm, điền trũng, bốc ) Hai thông số ước tính từ việc xây dựng đường quan hệ tổng lượng mưa tổng lượng dòng chảy đo từ thực nghiệm trận mưa Thời gian tập trung nước (từ điểm xa lưu vực đến cửa ra) Hình dạng đường cong tập trung nước Hình dạng diện tích lưu vực, luỹ tích phần diện tích tập trung nước SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY LŨ VÀ MÔ HÌNH LŨ ĐƠN VỊ (Shecman, 1932) Đường trình đơn vò: đường cong biễu diễn trình dòng chảy (theo thời gian) trực tiếp tạo cm mưa vượt thấm phân bố lưu vực (với cường độ mưa không đổi đơn vò thời gian) Ý nghóa “đơn vò”: đơn vò độ sâu mưa vượt thấm q q (m3/s/km2/cm): lưu lượng đơn vò diện tích lưu vực tạo cm mưa vượt thấm Thời gian đáy đường trình dòng chảy trực tiếp thời gian trì dòng chảy trực tiếp từ mưa vượt thấm Tb (thời gian đáy) t Ưu điểm : Đây mô hình đơn giản để xây dựng đường trình dòng chảy sông tạo lượng mưa vượt thấm Các giả thiết : Mưa vượt thấm có cường độ không đổi suốt trình mưa Mưa vượt thấm phân bố toàn lưu vực Thời gian đáy đường trình dòng chảy trực tiếp (thời gian trì dòng chảy trực tiếp từ mưa vượt thấm) không đổi Đối với lưu vực cho trước, đường trình dòng chảy tạo trận mưa cho trước phản ánh đặc trưng không đổi lưu vực Tung độ đường trình dòng chảy trực tiếp thời gian đáy chung tỷ lệ thuận với tổng lượng dòng chảy trực tiếp biểu thò đường trình Thường thường giả thiết thoả mãn hoàn toàn điều kiện tự nhiên Tuy nhiên, số liệu thuỷ văn chọn lọc để phù hợp với giả thiết nêu kết tính toán từ mô hình đường đơn vò chấp nhận tính toán thực tiễn Phương pháp : Để tính toán lưu lượng dòng chảy trực tiếp Qn cho mưa vượt thấm Xm (m=1 ÷ M) đường trình đơn vò qn-m+1 Biểu đồ mưa hiệu chuyển thành dòng chảy lưu vực cách n≤ M ta dùng phương trình sau: Qn = ∑X m =1 m q n −m +1 Ví dụ : Cơn mưa kéo dài giơ, với cường độ X 1, X2, X3 Ta có đường trình đơn vò theo thời gian là: q 1, q2, q3, … Ta tính lưu lượng Qn sau: Q1= X1q1 Q2= X1q2 + X2q1 Từ đường trình đơn vò Q3= X1q3 + X2q2 + X q1 Q4= X 3q + X2q3 + Q5= + + X 3q Tính biểu đồ trình + Đường trình dòng chảy đáy (ước tính sông) dòng chảy trực tiếp Đường trình dòng chảy sông Trong trường hợp cần xây dựng đường trình đơn vò cho đòa điểm khác sông, hoăc cho lưu vực kế cận đủ số liệu đo có điều kiện tương tự Phương pháp đường trình đơn vò tổng hợp : Dựa mối quan hệ đặc trưng hình dạng đường cong trình lũ (lưu lượng đỉnh, thời gian đáy…) với đặc trưng lưu vực Dựa mô hình lượng trữ nước lưu vực Đường trình đơn vò tổng hợp Snyder (1938), Gray (1961) Đường trình đơn vò tổng hợp Clark (1943) MÔ HÌNH HEC-HMS Trục tung biểu thò q/qp, với qp lưu lượng đỉnh lũ Trục hoành biễu thò t/Tp, với Tp thời gian nước lên Đường trình đơn vò tổng hợp vô thứ nguyên SCS Cơ quan bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) MÔ HÌNH MƯA-DÒNG CHẢY KIỂU BỂ CHỨA: MÔ HÌNH TANK CẤU TRÚC MÔ HÌNH TANK ĐƠN Giả thiết: Quan niệm lưu vực sông dãy bể chứa xếp theo phương thẳng đứng: Bể thứ nhất: mô tả lớp đất mặt nên có thêm cấu truyền ẩm Từ bể thứ hai trở đi: cấu tạo tương tực Về nguyên tắc, chọn nhiều bể thường chọn 3-4 bể Đôi chọn bể Bể thứ : có lớp, trao đổi ẩm hai chiều Y3A Lớp A1: biểu thò độ ẩm mặt đất  Lớp A2: biểu thò độ ẩm lớp mặt đất có liên hệ với lớp A1 Ví dụ: Mưa XM (mm/ngày) rơi xuống bể A  H3A XA Lớp nước ngấm xuống tầng A2 :T1 = C0 + C − C0, C số  XA2   CA2  H2A H1A T2 T1 XA2 : Lượng ẩm có A2 CA2 : Lượng ẩm bão hoà A2 YAd Lớp nước lại bể A : X A = X A + X M − E − T1 XA0 : Lớp nước tự ban đầu tầng A; CA1 : độ bão hoà lớp A1; E : lớp nước bốc XA0 = CA1 –XA1 XA1: Độ ẩm lớp A1 Y2A Y1A Bể thứ bố trí từ tới cửa ứng với ngưỡng H1A, H2A, H3A XA > H1A ⇒ sinh dòng chảy mặt ⇒ YA= (XA - H1A)* α1 với α1 hệ số dòng chảy XA < H1A ⇒ dòng chảy mặt = 0; lượng mưa chưa đủ thấm vào điền trũng: ⇒ Y A= Tương tự cho cửa 2, dòng chảy YAd xuống cửa đáy Dòng chảy khỏi bể A : YA = Y1 A + Y2 A + Y3 A + YAd Mực nước bể A vào cuối ngày : X A = X A + X M − E − T1 − YA Trường hợp không mưa, sau thời đoạn tính bốc E ngấm T làm cho XA giảm tới ⇒ lớp A1 chuyển từ bão hoà độ ẩm CA1 sang thiếu hụt ẩm XA1 ⇒ lớp A2 lại truyền ngược ẩm lên A1 theo tốc độ:  X A1   T2 = b + b − C A1   Tóm lại: Ở bể A có thảy 13 thông số khác nhau: α1, α2, α3, C0, C, b0, b, H1A, H2A, H3A, CA1, CA2 thêm thông số để tính E Các bước tính toán: Bước đầu tính toán: Cần chọn trước 15 thông số tính toán thêm hai giá trò điều XA1và XA2 Sau thời đoạn tính toán: Phải tính toán cân ẩm hai lớp A A2 Và cuối cân nước cho bể A Giả sử: Để bão hoà lớp A1 cần 3mm nước (CA1 = 3) Lớp A1 có độ ẩm XA1=2 mm Để bão hoà lớp A2 cần 4mm nước (CA2 = 4) Lớp A2 có độ ẩm XA2=3 mm Vì XA1 < CA1 ⇒ lớp nước tự ban đầu bể A=0 ⇒ XA0=0 Nếu có lượng mưa X=25 mm rơi xuống lớp A1 nhận mm thiếu để trở nên bão hoà ẩm, lượng ẩm truyền xuống lớp A2 là:  XA2  3    = 0.2 + 2 −  = 0.7 T1 = C0 + C − CA  4   Hằng số thực nghiệm Lượng ẩm lớp A2 là: XA2 = 3+ 0,7 = 3,7 < CA2 = mm (ghi chú: tính T1 > CA2 - XA2 lấy T1 = CA2 - XA2 ) Như vậy, sau truyền ẩm xuống lớp A2, lớp nước tự bể A là: XA = XA0 + XM - (CA1 –XA1) - T1 X*A = + 25 - (1) - 0,7 = 23.3 mm Đây phần ngậm nước để A1 đạt tới bão hoà X*A: lượng nước lại bể A sau trừ tất tổn thất tối thiểu ban đầu (ta gọi mưa vượt thấm) X*A tiếp tục tham gia vào dòng chảy qua cửa bên (→Y1A, Y2A, Y3A), bốc (E), chảy xuống bể (YAd) ⇒ Cuối lớp nước bể A lại là: XA = X*A - YAi - E Tới XA < H1 ⇒ Y1A, Y2A, Y3A = ; Chỉ YAd E khác không Khi lớp nước lại bể A thấp ngưỡng thấp H 1A không dòng chảy tràn nữa, xem lớp nước điền chỗ trũng: XA → X*A Nếu mưa bổ sung thì: XA = X*A - YAd - E XA=0 YAd=0 Khi YAd=0 lớp A1 bắt đầu khô dần: X*A1 = XA1 - E với XA1[i] = XA1[i-1] - E[i] XA1 < Vì XA1[i] độ ẩm lớp đất mặt A1 nên âm Đến đây, ta lấy: XA1[i] = E >0 lúc khả bốc  X* A   Khi XA1[i] = lớp A2 truyền ẩm ngược lên lớp A1: T2 = b + b − C A1   Do truyền ẩm mà lớp A2 bắt đầu khô: X*A2 = XA2 - T2 Còn lớp A1 bắt đầu ẩm hơn: XA1 = X*A1 + T2 (Với đ kiện: XA1 < CA1) Đến XA1 đạt tới > CA1 ta tính lại lượng ẩm truyền lên: T2 = T2 - (XA1 – CA1) Và lúc lấy XA1 = CA1 Cuối cân nước cho bể 1: Khi hai lớp A1 A2 không bảo hoà ẩm cần tính T1 T2, lúc ta cân nước cho lớp A1 A2 sau: XA1 = XA1 – E – T + T2 XA2 = XA2 – T2 + T1 Bể thứ hai : Từ bể thứ hai trở xuống :  Chỉ có lớp, trao đổi ẩm từ lên  Chỉ có cửa đáy cửa bên Không có tượng bay chảy ngược lên Các thông số bể 2: αB, αBd, HB lớp nước ban đầu có bể : XB0 Cân nước cho bể giai đoạn 1: XB[i] = XB[i – 1] + YAd[i] Nếu XB > HB ⇒ YB= α B(XB – HB) Nếu XB< HB ⇒ YB =0 YB= α B(XB-HB) Khi XB > ⇒ YBd= α Bd.XB Cân nước cho bể giai đoạn 2: XB[i] = XB[i – 1] + YAd[i] – YB[i] – YBd[i] Bể thứ ba : tương tự bể hai: XC[i] = XC[i – 1] + YBd[i] – YC[i] – YCd[i] XB HB YBd= α Bd.XB Dòng chảy khỏi lưu vực là: YTC = YA1 + YA2 + YA3 + YB + YC + … Lưu ý nhược điểm mô hình TANK: Mô hình TANK đơn quan niệm lưu vực dãy bể thẳng đứng nên có bể A phản ánh dòng chảy mặt ⇒ Dòng chảy xảy lúc với mưa Không có thời gian tập trung nước sườn dốc Không có thời gian chảy tryền mạng sông suối Khắc phục : Đưa thêm vào Mô hình TANK bể chứa loại hai để:  Phản ánh trữ lượng nước sông  Cộng thêm thời gian trễ để đỉnh mưa lệch với đỉnh lũ Phản ánh thời gian chảy truyền Cấu tạo bể chứa loại hai:  Giống bể thứ hai cửa đáy Nhận nước từ tất cacù bể chứa loại (xếp thẳng đứng) Dòng chảy vào bể chứa loại hai:  Dòng chảy qua tất cửa bên bể thẳng đứng Dòng chảy khỏi bể chứa loại hai: Dòng chảy cửa lưu vực CẤU TRÚC MÔ HÌNH TANK KÉP Theo phương ngang, Mô hình TANK đơn quan niệm lưu vực có bể chứa ⇒ khó áp dụng cho lưu vực có độ dốc bề mặt lớn hết mưa: Lớp đất bề mặt đỉnh khô trước Lớp đất chân dốc khô chậm Khi mô tả cho bể Á có nửa (theo phương ngang) khô, nửa bão hoà ẩm ⇒Để khắc phục, ngường ta dùng mô hình TANK kép:  Quan niệm theo phương ngang có nhiều bể liên tiếp phương đứng  Chú ý theo phương ngang bể có nhiều cửa bên cửa bên hướng phía sông ⇒ lượng ẩm truyền từ vành đai cao xuống vành đai thấp không truyền ngược lại ... = mm (ghi chú: tính T1 > CA2 - XA2 lấy T1 = CA2 - XA2 ) Như vậy, sau truyền ẩm xuống lớp A2, lớp nước tự bể A là: XA = XA0 + XM - (CA1 –XA1) - T1 X*A = + 25 - (1) - 0,7 = 23.3 mm Đây phần ngậm... chỗ trũng: XA → X*A Nếu mưa bổ sung thì: XA = X*A - YAd - E XA=0 YAd=0 Khi YAd=0 lớp A1 bắt đầu khô dần: X*A1 = XA1 - E với XA1[i] = XA1[i-1] - E[i] XA1 < Vì XA1[i] độ ẩm lớp đất mặt A1 nên âm... kép,… Mô hình kiểu phát triển đường đơn vò thành đường lũ đơn vò: HEC-HMS Mô hình kiểu phát triển công thức nguyên dòng chảy- Mô hình quan hệ (Rational model) Các mô hình tính dòng chảy từ mưa